基于低壓配電物聯(lián)網(wǎng)的分布式光伏接入研究

樊國旗，劉海南，李鵬，何毅帆，潘偉東

（1.國網(wǎng)金華供電公司，浙江 金華 321001；2.國網(wǎng)石嘴山供電公司 寧夏 石嘴山 753000；3.國網(wǎng)浙江省電力有限公司科學(xué)技術(shù)研究院，浙江 杭州 310007）

0 引 言

浙江、福建和青海是國家電網(wǎng)區(qū)域新型電力系統(tǒng)省級示范區(qū)樣板[1-2]，風(fēng)電和光伏得到快速發(fā)展，其中低壓分布式光伏是重要組成部分[3-4]，但是低壓電網(wǎng)存在自動化程度相對較低和感知能力不足的問題[5]，因此，需要建設(shè)低壓配電物聯(lián)網(wǎng)提高“可觀-可測-可調(diào)-可控”能力，并結(jié)合浙江地區(qū)電力發(fā)展?fàn)顩r，因地制宜發(fā)展新能源消納項目。

文獻(xiàn)[6]、[7]通過臺區(qū)戶-相-變拓?fù)渥R別方法，助力臺區(qū)運(yùn)行問題的分析和處理，提升配電監(jiān)測和故障研判能力。文獻(xiàn)[8]通過低壓配電網(wǎng)拓?fù)渥赃m應(yīng)方法，制定低壓配網(wǎng)主動搶修策略，進(jìn)一步改善低壓配電網(wǎng)供電可靠性。文獻(xiàn)[9]構(gòu)建基于臺區(qū)智能融合終端的電動汽車有序充放電系統(tǒng)，提升設(shè)備狀態(tài)檢測能力和負(fù)荷側(cè)資源調(diào)控能力。文獻(xiàn)[10]通過開關(guān)重構(gòu)改變配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和需求側(cè)響應(yīng)相結(jié)合的方法，改善配電網(wǎng)潮流和電壓分布，減少配電網(wǎng)運(yùn)行成本。文獻(xiàn)[11]通過“云-邊”協(xié)同技術(shù)構(gòu)建臺區(qū)用能管控系統(tǒng)框架，結(jié)合用戶舒適度、分時電價和分布式儲能充放電策略建立臺區(qū)可調(diào)控資源調(diào)度策略，提升臺區(qū)對可調(diào)控資源的管控能力，有效降低用戶用能成本。本文在上述文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合低壓電網(wǎng)分布式光伏特點(diǎn)，提出低壓配電物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)方案，實(shí)現(xiàn)低壓拓?fù)渥詣幼R別功能，滿足“可觀-可測-可調(diào)-可控”的需要。此外，建立電壓控制策略，解決臺區(qū)電壓抬升問題，并通過源網(wǎng)荷儲協(xié)調(diào)運(yùn)行平臺提升臺區(qū)運(yùn)行能力，增加對主網(wǎng)的支撐能力。

1 分布式光伏接入及影響

1.1 分布式光伏接入

分布式光伏接入有兩種：中壓接入式光伏和低壓接入式光伏，其接入示意圖如圖1所示。

圖1 分布式光伏接入方式

中壓接入式光伏一般通過10kV及以上電壓等級并入電網(wǎng)，可通過交換機(jī)直接接入調(diào)度通信網(wǎng)，可以上傳光伏電壓、電流、開關(guān)狀態(tài)、發(fā)電量、有功功率和無功功率等信息，具備遙測、遙信、遙控和遙調(diào)等功能，通過直采直控或群調(diào)群控的方式參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)。

低壓接入分布式光伏一般通過380/220V電壓等級并入電網(wǎng)，380V為三相電壓接入，220V為單相電壓接入，多為屋頂光伏，對開關(guān)狀態(tài)、有功功率和無功功率等信息處于不可控狀態(tài)，“可觀-可測-可調(diào)-可控”能力較弱。

可觀：在電網(wǎng)業(yè)務(wù)系統(tǒng)中可以直觀顯示光伏電源接入位置和狀態(tài)信息。

可測：光伏電源相關(guān)狀態(tài)信息能夠?qū)崟r上傳至配網(wǎng)運(yùn)行管理系統(tǒng)或者智能融合終端。

可調(diào)：能夠就地自主和遠(yuǎn)程系統(tǒng)調(diào)節(jié)光伏逆變器功率。

可控：配網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)或智能融合終端可以對光伏開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制。

由于低壓配電網(wǎng)自動化程度較弱，對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)自動識別能力較差，故障研判能力不足。此外，根據(jù)拓?fù)渥R別技術(shù)對分段線損進(jìn)行比較，提供反竊電分析。

1.2 分布式光伏接入影響

分布式光伏接入會改變原有電網(wǎng)潮流單向流動的特性，可能導(dǎo)致返供電流過大，超過低壓分路開關(guān)額定電流；此外，原有距離保護(hù)需要改變定值，或需配置光纖差動保護(hù)，避免保護(hù)定值整定困難的問題。

光伏的隨機(jī)性和波動性特性增加電力平衡難度，同時造成臺區(qū)重載問題，還會導(dǎo)致電壓抬升問題。由于低壓電網(wǎng)缺乏電容器、電感器等電壓調(diào)節(jié)設(shè)備，頻繁使用變壓器分接頭調(diào)壓方式，會導(dǎo)致故障率上升；電壓抬升問題如圖2所示，V為母線電壓，VA為節(jié)點(diǎn)A電壓，XA為母線到節(jié)點(diǎn)A的阻抗，I為母線流向A點(diǎn)電流，IA為節(jié)點(diǎn)A流向母線電流。

圖2 電壓抬升示意圖

A點(diǎn)電壓為：

當(dāng)分布式光伏并網(wǎng)容量較少，電壓相對無分布式光伏并網(wǎng)A點(diǎn)會有略有抬升；當(dāng)分布式光伏并網(wǎng)容量較大時，抬升較多，特別當(dāng)(I＜IA)時，即功率從分布式光伏流向母線的反向潮流時，A點(diǎn)電壓會高于母線電壓。

2 低壓配電物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建

為提升分布式光伏電壓控制能力和分布式光伏消納能力，解決因低壓電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋸?fù)雜和自動化程度低導(dǎo)致的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不能自動識別問題，需要構(gòu)建低壓配電物聯(lián)網(wǎng)平臺，建立無功電壓控制策略和源網(wǎng)儲協(xié)調(diào)運(yùn)行策略。

2.1 低壓配電物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)架

低壓配電物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示，由云層、管層、邊層和端層組成。

圖3 低壓配電物聯(lián)網(wǎng)平臺系統(tǒng)構(gòu)架

端層由物聯(lián)臺區(qū)設(shè)備組成，如LTU（Line Terminal Unit），安裝在分支線位置，用于電流、電壓、溫度和故障等信息監(jiān)測。

邊層由智能融合終端組成，安裝在配變變壓器位置，可以結(jié)合LTU對線路監(jiān)測信息實(shí)現(xiàn)電能感知功能，并能夠?qū)崿F(xiàn)故障位置判斷和電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)自動識別等分析決策功能。

管層由系統(tǒng)通信組成，用于電能質(zhì)量等數(shù)據(jù)傳輸和控制指令下發(fā)，可以分為光纖通信和5G通信，以及專網(wǎng)和公網(wǎng)通信。

云層由低壓配電物聯(lián)網(wǎng)平臺組成，具有數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)共享的功能，數(shù)據(jù)共享可以為其他平臺業(yè)務(wù)提供支持，數(shù)據(jù)挖掘可以為電力交易和優(yōu)化運(yùn)行提供支持。

2.2 低壓配電物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建

低壓配電物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建如圖4所示，加裝臺區(qū)智能融合終端和LTU，臺區(qū)智能融合終端一般安裝在配電變壓器末端，可以對變壓器狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，同時可以與上級平臺通信傳遞信息和控制指令，此外，與LTU通信實(shí)現(xiàn)對低壓配網(wǎng)的自動監(jiān)測功能。LTU一般安裝在配電箱內(nèi)部、分支線和總表箱上。

圖4 低壓配電物聯(lián)網(wǎng)平臺

該低壓配電物聯(lián)網(wǎng)平臺可以實(shí)現(xiàn)臺區(qū)拓?fù)涔δ茏詣幼R別功能，通過確定拓?fù)渥R別“特征電流頻率、特征碼、占空比”等物理特征及 “拓?fù)渥R別時間、識別相位、特征碼值”等數(shù)據(jù)交互信息，實(shí)現(xiàn)拓?fù)渥R別功能標(biāo)準(zhǔn)化。

臺區(qū)智能融合終端向智能電表211發(fā)送信號，智能電表211產(chǎn)生電流調(diào)制脈沖，則在LTU21和LTU2中可以測量到特征電流信號，以檢測到電流記為1，未檢測到電流記為0，依次對其他電表發(fā)送信號，得到圖中拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)矩陣如式(2)所示，矩陣 上2、21和23表示對應(yīng)的LTU。

由矩陣1可知6條支路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為： D2-D21-211, D2-D21-212, D2-D21-213, D2-D23-231,D2-D23-232, D2-D23-233；然后與原有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對比，是否有變化，若有變化，則以新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)替代原有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2.3 臺區(qū)光伏無功電壓控制

(1)臺區(qū)光伏無功電壓控制方法

臺區(qū)光伏無功電壓控制主要包括如圖5所示的三種控制方法，采用光伏逆變器無功電壓調(diào)節(jié)方案，并根據(jù)需要結(jié)合有載配電變壓器調(diào)節(jié)方案，不采用光伏逆變器有功功率削減方案。

圖5 臺區(qū)光伏無功電壓控制

光伏逆變器無功電壓調(diào)節(jié)方案為：光伏逆變器在自身容量調(diào)節(jié)范圍內(nèi)從電網(wǎng)吸收或輸出無功功率時，對并網(wǎng)點(diǎn)有功功率幾乎無影響；目前光伏逆變器均具備該技術(shù)能力，國外已有實(shí)踐應(yīng)用，并且有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

逆變器無功電壓調(diào)節(jié)原理如圖6所示,當(dāng)光伏發(fā)電有功為P1時，其無功功率的調(diào)節(jié)范圍為-Q1max～Q1max，無功和有功滿足公式(3)，φ為功率因數(shù)角，需要大于0.95。

圖6 逆變器無功電壓調(diào)節(jié)原理

有載調(diào)壓配電變壓器調(diào)節(jié)方案為：通過轉(zhuǎn)換變壓器分接頭達(dá)到改變電壓的目的；以臺區(qū)主流的400kVA配變?yōu)槔骄鶈闻_區(qū)設(shè)備增加投資約1.5萬元，費(fèi)用增加比例約為20%；真空型分接開關(guān)壽命約5萬次，以每天調(diào)節(jié)6個檔位，開關(guān)壽命約為25年。

光伏逆變器有功功率削減方案為：當(dāng)光伏功率較大導(dǎo)致臺區(qū)電壓抬升較高時，逆變器無功調(diào)節(jié)能力已經(jīng)達(dá)到上限，將有功功率削減至電壓合格的范圍內(nèi)；該方法會減少清潔能源發(fā)電，因此未采取削減有功的方法控制電壓。

(2)光伏群控APP

群控APP可以實(shí)現(xiàn)對光伏逆變器運(yùn)行監(jiān)視、數(shù)據(jù)存儲、報警推送等功能；采取遠(yuǎn)程定值調(diào)整+智能逆變器就地策略的混合模式，其定值通過臺區(qū)智能融合終端判斷加權(quán)平均電壓計算，然后實(shí)現(xiàn)全體逆變器的無功控制模式切換。光伏逆變器電壓區(qū)域劃分如圖7所示。

圖7 電壓區(qū)域劃分

安全區(qū)采取策略為：群控逆變器進(jìn)入功率因數(shù)參數(shù)設(shè)定模式(無功就地平衡)。

越限區(qū)采取策略為：且持續(xù)一定時間(5min)，群控逆變器進(jìn)入下垂控制，且根據(jù)逆變器距離母線距離遠(yuǎn)近，分為近、中、遠(yuǎn)三個U3定值。

風(fēng)險區(qū)采取策略為：群控逆變器停機(jī)(電壓正常時逆變器可以自主恢復(fù)并網(wǎng))。

2.4 臺區(qū)源網(wǎng)荷儲協(xié)調(diào)運(yùn)行平臺

當(dāng)分布式光伏并網(wǎng)容量較大時，會導(dǎo)致光伏消納困難，需要通過“源荷儲互動”提升光伏消納能力；即通過儲能、電動汽車充電和智能樓宇負(fù)荷通過溫控策略增大功率，降低分布式光伏對臺區(qū)電壓的抬升。此外，為支撐高彈性電網(wǎng)需要，可以參與電網(wǎng)調(diào)節(jié)，即負(fù)荷高峰時，儲能、電動汽車放電，智能樓宇負(fù)荷降低負(fù)荷大小，實(shí)現(xiàn)削峰；負(fù)荷低谷時，儲能、電動汽車充電、智能樓宇負(fù)荷增大負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)填谷。

上述策略借助基于配電物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)的臺區(qū)協(xié)調(diào)運(yùn)行平臺實(shí)現(xiàn)，臺區(qū)源網(wǎng)荷儲協(xié)調(diào)運(yùn)行平臺如圖8所示。

圖8 臺區(qū)源網(wǎng)荷儲協(xié)調(diào)運(yùn)行平臺

臺區(qū)協(xié)調(diào)運(yùn)行平臺能夠參與電力市場交易，即通過光伏功率預(yù)測制定日前能量交易計劃，并通過輔助交易彌補(bǔ)功率預(yù)測誤差；根據(jù)分布式光伏發(fā)電功率，參與綠電交易，提升分布式光伏發(fā)電效益。根據(jù)光伏、樓宇負(fù)荷電動汽車充電需求和儲能約束，制定經(jīng)濟(jì)成本最優(yōu)、碳排放最小和對電網(wǎng)響應(yīng)能力最強(qiáng)的運(yùn)行策略方案。

3 結(jié)論

本文通過構(gòu)建低壓配電物聯(lián)網(wǎng)平臺，解決低壓電壓電網(wǎng)自動化程度低和感知能力弱問題，實(shí)現(xiàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)自動識別功能，提高“可觀-可測-可調(diào)-可控”能力，為低壓分布式光伏消納提供信息化環(huán)境支持。通過基于云-管-邊-端的系統(tǒng)框架低壓配電物聯(lián)網(wǎng)平臺，完成拓?fù)渥詣幼R別；結(jié)合分布式光伏特點(diǎn)建立電壓調(diào)節(jié)策略；結(jié)合臺區(qū)源網(wǎng)荷儲資源特性，實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)下的臺區(qū)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。